燃燒熱測定實驗的改進與探索

文/張云佳 顧子迪 喬建仙 包河彬

利用膠囊實現對液態(tài)油品燃燒熱的測量，同時通過編寫燃燒熱自動測定軟件，實現溫差數據實時采集、實驗數據雷諾圖分析校正、實驗結果自動計算等功能，對物理化學實驗中燃燒熱的測定實驗（氧彈法）進行改進。

1.燃燒熱實驗概述

燃燒熱（ΔcHm）是指物質與氧氣進行完全燃燒（氧化）反應時放出的熱量，是熱化學中重要的基本數據。它一般用單位物質的量、單位質量或單位體積的燃料燃燒時放出的能量計量。目前，實驗室測定物質燃燒熱的方法，主要是使用氧彈式燃燒熱測定方法，該法是把一定量的樣品放在充有高壓純氧的密閉彈筒（即氧彈）中完全燃燒，并使其燃燒放出的熱量通過彈筒傳遞給水及儀器系統(tǒng)，再根據水溫的變化計算出樣品的發(fā)熱量。測量物質的燃燒熱是工業(yè)生產和研究中進行熱值分析的基本方法，同時也是大學物理化學實驗中的一個基本的熱力學實驗，是化學熱力學實驗不可或缺的基本內容之一[1]。

2.對傳統(tǒng)燃燒熱測定實驗方案的改進

本研究主要探索和改進物理化學實驗中燃燒熱的測定方法（氧彈法），使用膠囊對油品進行燃燒熱的測定，并基于實驗儀器硬件進行二次開發(fā)，編寫了燃燒熱自動測定軟件，從而實現對于油品燃燒熱的快速測定。

2.1實驗設備及藥品。氧彈式量熱計（SHR-15，南京桑力公司），精密數字溫度溫差儀（SWC-ⅡD，南京桑力公司），計算機，電子天平，鎳絲，膠囊。苯甲酸（A.R.分析純），93#汽油，0#柴油，航煤。

2.3實驗軟件。根據油品燃燒熱測試需求，基于南京桑力實驗硬件（SHR-15氧彈式量熱計、SWC-IID精密數字溫度溫差儀），自行編寫開發(fā)的實驗軟件（由于儀器硬件限制，需手動點火），可實現溫差數據實時采集、實驗雷諾圖分析、實驗結果自動計算功能。

2.3液體燃燒熱測定的測定過程。實驗采用膠囊盛裝油品，點火絲嵌在膠囊中，增加了點火絲與油品的接觸面積，使點火絲能與油品充分接觸，從而提高了點火成功率和實驗效率。（1）測量膠囊熱值：稱取膠囊，將燃燒絲纏于膠囊中部，在氧彈中加入10m l蒸餾水，按之前步驟測量熱值后，平行3次實驗結果作為膠囊的平均熱值。（2）測量油品熱值：以膠囊作為裝樣容器，稱取膠囊后將待測液體滴入膠囊中，扣緊密閉。實驗步驟與之前相同，測量混合體系的熱值，計算出樣品的燃燒熱值，平行3次實驗結果作為樣品的平均熱值。

3.對燃燒熱測定實驗控制軟件改進

3.1精密數字溫度溫差儀通訊協議分析、數據解析與轉換。SWC-IID精密數字溫度溫差儀采用BCD碼進行數據傳送，基于RS232串口發(fā)送數據。由其通訊協議可知，當軟件與下位機開始通訊后，下位機溫差儀會持續(xù)向上位機發(fā)送數據，因此需要通過軟件從原始數據中提取需要的數據幀，根據通訊協議可知數據幀的幀頭為0xFF，幀長度為14，以此為判定規(guī)則，提取得到一幀完整的實驗數據，如FF800A090105070A000901000000。溫差數據ΔT如圖1所示，由于溫差數據為BCD碼格式，因此直接將數據拼接即可，則溫差數據值為+09157，小數點位數為3，最終的溫差數據ΔT為9.157℃。同理，解析溫度數據T如圖2所示，由于溫度數據同樣為BCD碼格式，因此直接將數據拼接即可，則溫度數據值為+00910，小數點位數為2，最終的溫差數據T為9.10℃。

圖1 溫差數據ΔT解析

圖2 溫度數據T解析

圖3 燃燒熱曲線求導劃分實驗區(qū)間

圖4 燃燒熱實驗溫差數據曲線區(qū)間劃分

圖5 基于室溫確定I點

圖6 基于I點確定A點和C點

圖7 校正后的溫差值ΔT校正

3.3燃燒熱實驗軟件的改進編寫。根據以上通訊協議、溫差校正算法和燃燒熱計算公式，使用Pascal語言編寫實驗軟件。軟件的總體架構設計如圖8所示，TRS232Controller類用于控制溫差儀的串口通訊和數據采集，TRSEm uController類可實現脫機時的模擬采集功能，即軟件可以在不連接溫差儀的情況下進行操作，模擬實驗過程數據采集情況，該功能主要用于軟件的演示和培訓使用。軟件界面采用Docking方式進行設計，即所有功能組件均以Docking方式加載到主窗體中，雙擊每個功能組件的標題欄，該組件可轉變?yōu)橐粋€獨立的窗口程序，軟件主界面如圖9(a)所示。此外，軟件的“實驗曲線”頁面可實時繪制燃燒熱實驗數據曲線（可同時采集溫差數據和溫度數據）；“數據監(jiān)控”頁面可實時顯示采集到的原始實驗數據，便于實驗人員檢查實驗數據；“數據處理”頁面主要用于最后的實驗數據處理和計算，得到最終的燃燒熱實驗結果，如圖9(b)所示。

圖8 燃燒熱實驗軟件的總體架構設計

圖9 燃燒熱實驗軟件界面截圖

4.總結

本論文對“物化課程燃燒熱測定實驗”進行了探索和改進，使用膠囊對油品進行燃燒熱的測定，在此基礎之上，針對實驗儀器硬件進行二次開發(fā)，編寫了自動化檢測分析軟件，從而實現對于油品燃燒熱的快速測定。

引用出處

[1]張軍峰，龐素娟，肖厚貞.物理化學實驗（第二版）[M].北京，化學工業(yè)出版社，2021.